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幽灵星系?星系大碰撞?新银河系地图将为暗物质探测提供新线索

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 Connor Feng • 2019-01-31 10:12:38 来源:前瞻网 E1026G0
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欧洲航天局盖亚号航天器拍摄的银河及其周围星系的全景图。盖亚详细的三维星图揭示了银河系内部和周围的隐藏结构,为我们了解银河系的历史和暗物质的性质提供了新的线索。来源: ESA, Gaia and DPAC (CC BY-SA 3.0 IGO)

自从2013年发射以来,欧洲航天局(European Space Agency)的盖亚(Gaia)航天器就被标榜为一项注定要改变我们对银河系认识的任务。盖亚的主要任务是跟踪10多亿颗恒星的位置、运动、亮度和颜色,其主要目的是创建一个动态的银河系三维地图,这个地图将成为未来几代银河系制图的标准。

但随着该任务去年4月发布的最新数据目录,天文学家还在利用盖亚的精确测绘来推断出更多关于神秘暗物质的性质。“盖亚是为了测量我们星系的结构而建造的,”哥伦比亚大学的天文学家凯瑟琳·约翰斯顿(Kathryn Johnston)说,她一直在研究盖亚星系的新数据:“但第一个关键和最令人兴奋的结果却与星系结构根本无关——与预期中的星系结构不同,这些结果与宇宙中的那些异常有关。”

像大多数大型星系一样,银河系也是通过同类吞并的方式成长起来的,即吞噬那些不幸的小邻居——其中的一些还正在被“消化”,慢慢地融入我们银河系的主流结构中。在盖亚最新发布的数据中,这些来自银河系吞并的残羹剩饭都以引力摄动结构的形式出现,如恒星流、碎片场和超漫射矮星系——每一个都与盖亚的精确测量所准备揭示的暗物质相关。

在某些方面,这些研究与20世纪30年代首次揭示暗物质存在的研究几乎没有什么不同。天文学家观察到恒星以比预期快得多的速度在其他星系的外围旋转,这些恒星似乎不仅只受到星系可见物质(恒星、气体和尘埃)的集体引力的影响,而且还受到周围不可见物质“晕”的影响。经过几十年的进一步研究,几乎所有星系都被证实嵌套在这样的暗物质晕中,这些暗物质晕的延伸距离是星系中最远恒星的10倍。然而,暗物质在星系中的分布,尤其是向星系中心的分布,在很大程度上仍是未知的。

揭开关于暗物质在银河系内的普遍存在更精细的细节,可能会解答银河系最初究竟是如何形成的这个问题,进而检验研究人员关于星系形成和进化的最佳模型。这些模型认为,星系是在引力放大原始气体(这些原始气体充满了早期的宇宙)密度的微小波动时形成的,这种波动导致这些区域变得越来越密集,直到恒星、星系和星系团出现。至关重要的是,这种现象还会使得密度更小的区域变得更小,从而导致许多区域无法形成恒星,然而,这些没有恒星的区域中仍然含有大约1亿倍于太阳重量的暗物质。

星团和恒星流

这种暗物质团块从未被直接观测到过,但它们在星系外部的散布是一个非常重要的宇宙学预测。发现这样的一个暗物质团将大大有助于证明我们对早期宇宙的理解是正确的,这正是盖亚对银河系暗物质晕内恒星的观测可能给我们提供的一个可能发现。暗物质晕中充满了球状星团(围绕我们的星系运行的小而密集的古老恒星群)。

偶尔,一个星系团会过于靠近另一个星系团,导致它向星系的中心坠落。当它下坠的时候,星系中心对其前缘的引力要大于其对后缘的引力,将星团拉伸成数千光年长的恒星“潮汐流”。可以想象,在从暗物质晕俯冲下来的长时间过程中,这样的恒星流可以与一个或多个暗物质团块相遇并相互作用。普林斯顿大学的天文学家Adrian Price-Whelan说:“这些恒星流是测试小型暗物质亚晕(团块)存在的最有希望的方向之一。”Price-Whelan和哈佛大学天文学家Ana Bonaca一起筛选了盖亚的最新数据来寻找这样的互动,他们专注于银河系最长、最古老的恒星流之一,GD-1恒星流,它一群被拉长的恒星,从银河系盘上方的暗物质晕中坠落下来。

盖亚航天器使得Price-Whelan和Bonaca能够自信地区分那些属于GD-1的恒星和银河系前景里的恒星,并明确地揭示了恒星流中的多个缺口,以及人们此前从未见过一个新特性:一个像马刺一样的分支,它因为某种原因偏离了恒星流的主方向。恒星流中的单一缺口可以很容易地归因于与另一个球状星团的交互影响,但是多个缺口以及马刺状的分支流显示恒星流已经与一个非常密集和紧凑的物体发生了碰撞,这个物体的质量在一百万到一亿个太阳质量之间,而这个质量范围恰恰与假定在银河系盘边缘游走的暗物质晕质量相似。由Bonaca领导的一个研究小组随后追溯了GD -1从银河系盘上俯冲下来的轨迹,在看似空无一物的太空中搜寻可能造成这些缺失和分支的其他物体。这个搜索最后无功而返,所以目前来看,暗物质是最有可能的答案。Johnston说:“作者们已经令人信服地证明,这种马刺状的分支可以归因于一团看不见的暗物质,这个暗物质团以某种速度快速地经过了这个恒星流,并扭曲了它的原本路径。理论上,这些暗物质团块可以以如此大的质量存在,但这是迄今为止我们发现它们存在的最令人信服的证据。”

分散的矮星系

GD-1恒星流位于银河系盘的正上方,所以它很容易就可以被观察到的,但研究人员利用盖亚在银河系远端这个最难研究的领域之一发现了另一个奇怪的结构(从我们太阳系的角度来看,银河系远端位于银河系恒星稀疏的那一边)。台湾天文与天体物理研究所(Institute of Astronomy and Astrophysics)的天文学家加布里埃尔·托雷巴(Gabriel Torrealba)与同事们一起利用盖亚的数据,透过银河系盘寻找位于银河系远端此前未知的卫星星系(盖亚精密的测量使研究小组能够识别并筛选出盘内的恒星群,排除盘外的恒星群)。他们发现的是Antlia 2(Ant 2)——迄今为止在银河系发现的最分散的卫星星系。

Ant 2被称为“幽灵星系”,它的亮度比同样大小的其他卫星星系要暗淡三倍,但规模比目前已知的大多数暗星系都要大。Ant 2的恒星非常分散,就连天文学家都很难解释它的存在。约翰斯顿说:“Ant 2是相当的出人意料,对这样一个分散的星系能够在银河系周围存活下来我感到非常惊讶。”在试图了解Ant 2是如何形成的过程中,Torrealba和他的团队将注意力转向了Ant 2的潜在暗物质数量。

卫星星系被认为是嵌入在它们自己的暗物质晕中,当卫星星系落入一个更大的星系,如银河系时,这些暗物质晕应该会逐渐从外部被剥离出来。Torrealba和他的同事们怀疑Ant 2之所以如此的分散是因为它极度缺乏暗物质;如果这是真的话,再加上Ant 2在我们星系外围的位置,这表明这个幽灵般的星系可能已经绕着银河系转了好几圈,而且在早期的时候,它的大部分暗物质就已经被剥走了,所以它现在正处于被银河系吸收的最后阶段。Torrealba猜测,它将在下一次绕银河系运行中完全解体。

Ant 2在表面上缺乏暗物质,这对于那些希望通过引力相互作用以外的方法来探测暗物质的实验人员来说是一个额外的收获。例如,暗物质物理特性的主要理论认为暗物质是由假想的弱相互作用大质量粒子(WIMPs)组成的。如果大质量弱相互作用粒子在宇宙的某个地方相互碰撞的话,它们应该会在释放伽马射线的能量爆发中湮灭。Torrealba和他的同事们认为,剥夺了暗物质的Ant 2更加缺乏的恒星和气体(这些恒星和气体能够通过各种更为传统的天体物理过程产生伽马射线),所以如果我们能够观察到任何来自这个幽灵星系的伽马射线的话,那么这些伽马射线就可以归因于暗物质。把这个扩展到其他最近发现的超扩散星系,我们可能会发现它们共同构成了一个新的、前所未有的“探测器”,用于寻找WIMPs和其他各种各样的假设暗物质粒子。

碎片场

幸运的是,我们或许不必为了验证我们的暗物质假说而远眺整个银河系。多亏了盖亚最近在银河系中发现的一个更古老的星系合并,我们可以在我们自己的“邻居”中寻找暗物质的迹象,也就是我们太阳系所在星系盘的这一部分。

就在一年多前,剑桥大学(University of Cambridge)的天文学家瓦西里·贝洛库罗夫(Vasily Belokurov)与托瑞巴(Torrealba)共同研究了Ant 2,他在盖亚早期的数据中发现了一些迹象,表明很久以前,银河系曾经与自身大小的星系经历过一次重大的合并事件。因为它是在盖亚的数据上发现的,他给这个巨大的银河系闯入者起了个绰号叫做“盖亚香肠”。在它撞击银河系所带来的数十亿颗恒星中,有一些恒星现在聚集在我们太阳系所在的银河系区域中,也许与它们相关联的暗物质就潜伏在附近。然而,尽管我们能够识别盖亚香肠合并所产生的可见物质碎片场,但要确定伴随它而来的暗物质,已被证明是一项非常具有挑战性的任务。

加州理工学院的天文学家Lina Necib希望让这一切变得更容易一些。通过计算机模拟,她和她的团队模拟了两个合并星系中可见物质和暗物质的共同演化过程,就像盖亚香肠星系和银河系一样,他们想看看这两种不同类型的物质最终是否会有相似的分布。他们的结果表明,尽管可见物质在随后跨星系的物质再分配中落后于暗物质,但通过合并的结论,两种物质都以相似的相关速度快速旋转。对于Necib和她的团队来说,这种相关性意味着有可能利用与盖亚香肠相关的恒星、气体和尘埃来追踪其相应暗物质的分布。“能够利用最近合并的恒星来追踪暗物质成分的可能是巨大的!”Necib说。而一个如此靠近的暗物质储藏库,对于用伽玛射线进行直接探测实验的测试来说可能会更有用,就像Ant 2一样。

多亏了盖亚,天文学家们积累了一系列的技术来探测我们的星系、暗物质等等,创造了一个新的工具集来证实或者排除许多描述暗物质的理论。GD-1是大约三十个恒星流中的一个恒星流,Ant 2是大约60个银河系卫星星系中的之一,太阳系周边只是与盖亚香肠星系相关的其中一个碎片场,所有的这些对于它们各自的类别来说都可能只是冰山一角,它们可以导致一些新的研究,这些研究研究的不仅仅是单个结构,而是把它们作为一个整体来研究。盖亚的任务还没有完成,按照计划它将会在2020年之前一直收集数据,并且看起来盖亚的运行状况非常良好,预计可以继续运作到下一个十年的中期。虽然盖亚的任务还没有完成,但是它的遗产——揭示暗物质在迄今为止的银河系隐藏历史篇章中所扮演的角色——已经非常清楚了。

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